Un propulsor magnetoplasmadinámico (MPD) ( MPDT ) es una forma de propulsión eléctrica para naves espaciales que utiliza la fuerza de Lorentz (la fuerza que ejerce un campo electromagnético sobre una partícula cargada) para generar empuje. A veces se lo denomina acelerador de fuerza de Lorentz (LFA) o (principalmente en Japón) arcorreactor MPD .
Generalmente, se ioniza un material gaseoso y se introduce en una cámara de aceleración, donde se crean los campos magnéticos y eléctricos mediante una fuente de energía. Luego, las partículas son impulsadas por la fuerza de Lorentz resultante de la interacción entre la corriente que fluye a través del plasma y el campo magnético (que se aplica externamente o es inducido por la corriente) hacia afuera a través de la cámara de escape. A diferencia de la propulsión química, no hay combustión de combustible. Al igual que con otras variantes de propulsión eléctrica, tanto el impulso específico como el empuje aumentan con la entrada de energía, mientras que el empuje por vatio disminuye.
Existen dos tipos principales de propulsores MPD: de campo aplicado y de campo propio. Los propulsores de campo aplicado tienen anillos magnéticos que rodean la cámara de escape para producir el campo magnético, mientras que los propulsores de campo propio tienen un cátodo que se extiende a través del medio de la cámara. Los campos aplicados son necesarios a niveles de potencia más bajos, donde las configuraciones de campo propio son demasiado débiles. Se han utilizado varios propulsores como xenón , neón , argón , hidrógeno , hidracina y litio , siendo el litio generalmente el de mejor rendimiento. [1]
Según Edgar Choueiri, los propulsores magnetoplasmadinámicos tienen una potencia de entrada de 100 a 500 kilovatios, una velocidad de escape de 15 a 60 kilómetros por segundo, un empuje de 2,5 a 25 newtons y una eficiencia del 40 al 60 por ciento. Sin embargo, investigaciones adicionales han demostrado que las velocidades de escape pueden superar los 100 kilómetros por segundo. [2] [3]
Una posible aplicación de los propulsores magnetoplasmadinámicos es el motor de propulsión principal para carga pesada y vehículos espaciales tripulados (motor de ejemplo para la misión humana a Marte ). [2] [3]
En teoría, los propulsores MPD podrían producir impulsos específicos extremadamente altos (I sp ) con una velocidad de escape de hasta y más allá110 000 m/s , el triple del valor de los propulsores iónicos basados en xenón actuales y unas 25 veces mejor que los cohetes líquidos. La tecnología MPD también tiene potencial para niveles de empuje de hasta 200 newtons (N) (45 lb F ), por lejos la más alta para cualquier forma de propulsión eléctrica, y casi tan alta como muchos cohetes químicos interplanetarios. [ cita requerida ] Esto permitiría el uso de propulsión eléctrica en misiones que requieren maniobras rápidas delta-v (como la captura en órbita alrededor de otro planeta), pero con una eficiencia de combustible mucho mayor. [4]
La tecnología de propulsores MPD ha sido explorada académicamente, pero el interés comercial ha sido bajo debido a varios problemas pendientes. Un pequeño problema es que se requieren requisitos de energía del orden de cientos de kilovatios para un rendimiento óptimo. Los sistemas de energía de las naves espaciales interplanetarias actuales (como los generadores termoeléctricos de radioisótopos y los paneles solares) son incapaces de producir tanta energía. Se esperaba que el reactor del Proyecto Prometeo de la NASA generara energía en el rango de los cientos de kilovatios, pero se suspendió en 2005.
En 1963 se inició en la URSS un proyecto para construir un reactor nuclear espacial diseñado para generar 600 kilovatios de energía eléctrica, que duró la mayor parte de los años 60. Su finalidad era alimentar un satélite de comunicaciones, pero finalmente no fue aprobado. [5] En la URSS se han puesto en órbita reactores nucleares que suministran kilovatios de energía eléctrica (del orden de diez veces más que las fuentes de alimentación actuales de RTG): RORSAT ; [6] y TOPAZ . [7]
Los planes para desarrollar un reactor nuclear a escala de megavatios para su uso a bordo de una nave espacial tripulada fueron anunciados en 2009 por el Instituto nuclear ruso Kurchatov , [8] la agencia espacial nacional Roskosmos , [9] y confirmados por el presidente ruso Dmitry Medvedev en su discurso de noviembre de 2009 ante la Asamblea Federal . [10]
Otro plan, propuesto por Bradley C. Edwards , es enviar energía desde la Tierra. Este plan utiliza 5 láseres de electrones libres de 200 kW a 0,84 micrómetros con óptica adaptativa en la Tierra para enviar energía a la nave espacial impulsada por MPD, donde se convierte en electricidad mediante paneles fotovoltaicos de GaAs . El ajuste de la longitud de onda del láser de 0,840 micrómetros (1,48 eV por fotón) y la banda prohibida del panel fotovoltaico de1,43 eV entre sí produce una eficiencia de conversión estimada del 59 % y una densidad de potencia prevista de hasta540 kW/m 2 . Esto sería suficiente para alimentar una etapa superior de MPD, tal vez para elevar satélites desde LEO a GEO. [11]
Otro problema con la tecnología MPD ha sido la degradación de los cátodos debido a la evaporación impulsada por altas densidades de corriente (en exceso deSe ha demostrado en el laboratorio que el uso de mezclas de propulsores de litio y bario y cátodos huecos multicanal es una solución prometedora para el problema de la erosión del cátodo. [ 12 ]
La investigación sobre propulsores MPD se ha llevado a cabo en los EE. UU., la ex Unión Soviética , Japón, Alemania e Italia. Los prototipos experimentales volaron por primera vez en naves espaciales soviéticas y, más recientemente, en 1996, en la Unidad Espacial Japonesa , que demostró el funcionamiento exitoso de un propulsor MPD pulsado casi estable en el espacio. La investigación en el Instituto de Aviación de Moscú , RKK Energiya , la Universidad Aeroespacial Nacional, el Instituto de Aviación de Kharkiv, el Instituto de Sistemas Espaciales de la Universidad de Stuttgart , ISAS , Centrospazio, Alta SpA, la Universidad de Osaka , la Universidad del Sur de California , el Laboratorio de Propulsión Eléctrica y Dinámica del Plasma (EPPDyL) de la Universidad de Princeton (donde la investigación de propulsores MPD ha continuado ininterrumpidamente desde 1967), y los centros de la NASA ( Laboratorio de Propulsión a Chorro y Centro de Investigación Glenn ), ha resuelto muchos problemas relacionados con el rendimiento, la estabilidad y la vida útil de los propulsores MPD.
Se probó un propulsor MPD a bordo de la Unidad Espacial Japonesa como parte del EPEX (Experimento de Propulsión Eléctrica), que se lanzó el 18 de marzo de 1995 y fue recuperado por la misión del transbordador espacial STS-72 el 20 de enero de 1996. Hasta la fecha, es el único propulsor MPD operativo que ha volado en el espacio como sistema de propulsión. Los primeros prototipos experimentales volaron en naves espaciales soviéticas.
El propulsor de campo aplicado MPD en desarrollo en el Instituto de Sistemas Espaciales de la Universidad de Stuttgart alcanzó una eficiencia del propulsor del 61,99% en 2019, correspondiente a un impulso específico de I sp = 4665 s y 2,75 N de empuje. [13]
